基于腦電信號(hào)的人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、腦-機(jī)接口(BCI)是在人腦和計(jì)算機(jī)或與其它電子設(shè)備之間,建立不依賴(lài)于常規(guī)的信息輸出通道(外周神經(jīng)和肌肉組織)的對(duì)外信息交流和控制的技術(shù)。腦-機(jī)接口使用在頭皮或皮層神經(jīng)元處記錄的腦電活動(dòng),并把它轉(zhuǎn)化為控制信號(hào),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的控制。通過(guò)腦-機(jī)接口,人可以直接通過(guò)腦來(lái)表達(dá)想法或操縱設(shè)備,而不需要通過(guò)語(yǔ)言和肢體的動(dòng)作。
　　腦-機(jī)接口技術(shù)是一種涉及神經(jīng)科學(xué)、信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理、模式識(shí)別等多學(xué)科的交叉技術(shù)。一個(gè)BCI系統(tǒng)是由信號(hào)采集

2、、特征提取、分類(lèi)算法、命令輸出等單元組成。腦-機(jī)接口技術(shù)的研究具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。BCI技術(shù)不僅為人們提供了一種全新的對(duì)外交流的通道,其更為重要的科學(xué)意義和學(xué)術(shù)價(jià)值在于BCI的研究和開(kāi)發(fā)過(guò)程將有助于人類(lèi)對(duì)大腦認(rèn)知模式、信息流程和控制方式的深入理解,也為解讀大腦思維模型和意識(shí)形成機(jī)制提供嶄新的研究渠道與方法。
　　本文首先介紹了腦-機(jī)接口的基本概念和研究現(xiàn)狀,進(jìn)而揭示研究BCI的目的與意義。通過(guò)分析腦電信號(hào)的特征以及

3、其對(duì)應(yīng)的生物機(jī)理,選取適合BCI系統(tǒng)所需要的腦電信號(hào)類(lèi)型。通過(guò)分析和比較當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究BCI的方法和進(jìn)展,提出本文所設(shè)計(jì)的在線(xiàn)的BCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型,即腦電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、采集、處理、特征提取和分類(lèi)識(shí)別后,將識(shí)別結(jié)果轉(zhuǎn)化成BCI系統(tǒng)所需的控制命令,最終實(shí)現(xiàn)通過(guò)腦電直接對(duì)外部設(shè)備的實(shí)時(shí)通信與控制。按照此思路,逐一完成腦電信號(hào)采集的電路設(shè)計(jì)、硬件平臺(tái)建立、軟件平臺(tái)分析、外部控制設(shè)備以及反饋系統(tǒng)搭建等工作。最后利用本文設(shè)計(jì)的BCI系統(tǒng)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)兩

4、類(lèi)比較典型的BCI實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本文主要工作如下:
　　(1)腦電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì):
　　由于腦電信號(hào)微弱而且容易受到外界噪聲干擾,本論文針對(duì)腦電信號(hào)的特點(diǎn)及其產(chǎn)生的機(jī)理,設(shè)計(jì)出高共模抑制比的腦電信號(hào)放大電路,并通過(guò)精心設(shè)計(jì)模擬濾波電路對(duì)腦電信號(hào)首先進(jìn)行預(yù)處理,可以將微弱的腦電信號(hào)從復(fù)雜的噪聲背景中提取出來(lái)。同時(shí)利用采集卡將模擬的腦電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),通過(guò)USB接口傳遞給計(jì)算機(jī),這樣就可以在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行分析和處理

5、。(2)BCI軟件平臺(tái)設(shè)計(jì):
　　系統(tǒng)的軟件平臺(tái)是聯(lián)系BCI硬件系統(tǒng)各部分的紐帶,管理著B(niǎo)CI系統(tǒng)的硬件資源和軟件模塊。本文利用VC++6.0軟件的強(qiáng)大功能,借助個(gè)人計(jì)算機(jī)的硬件平臺(tái)基礎(chǔ),把腦電信號(hào)的采集、處理、識(shí)別、分類(lèi)、外界設(shè)備控制與反饋等功能整合成一個(gè)軟件平臺(tái),實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)的BCI系統(tǒng)模型。該軟件系統(tǒng)同時(shí)具有波形實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、回放、頻譜顯示等功能。
　　(3)兩類(lèi)BCI應(yīng)用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn):
　　按照本文設(shè)計(jì)的BCI